1.4. Конструкционные материалы и технологические процессы

Конструкционные материалы оказывают большое влияние на массу, ресурс, стоимость и технологичность авиационных конструкций, поэтому к материалам предъявляются высокие требования по различным свойствам: прочности, жесткости, вязкости, плотности, выносливости в отношении переменных нагрузок, коррозионной стойкости. Конструкционные материа­лы должны обладать хорошими технологическими свойствами; немаловажное значение имеет их невысокая стоимость.

Для получения конструкции минимальной массы необходи­мо применять более прочные материалы с невысокой плот­ностью. Поскольку прочные металлические материалы имеют и более высокую плотность, а легкие менее прочны, для сравни­тельной оценки материалов во взаимосвязи свойств введено понятие удельной прочности -отношения прочностной характе­ристики материала к его плотности.

Материалы работают неодинаково при разных видах нагружения и деформациях. Например, одни хорошо сопротивляются растяжению или сжатию, но плохо работают на срез или про­дольный изгиб, другие наоборот. Поэтому для различных видов нагружения удельная прочность материала неодинакова.

Наиболее высокую удельную прочность имеют легирован­ные стали, титановые, алюминиевые и магниевые сплавы. Эти материалы и являются основными конструкционными материа­лами в авиастроении.

Ведущее место среди конструкционных материалов в само­лето- и вертолетостроении принадлежит алюминиевым спла­вам. Из дюралюминия Д16, алюминиевых сплавов В95, В93 выполняется большая часть силовых элементов крыла, фюзеля­жа и оперения. В настоящее время ведутся работы по внедре­нию в авиастроении алюминиево-литиевых сплавов, имеющих более высокие механические и антикоррозионные свойства и на 8-15 % меньшую плотность, чем традиционные алюминиевые сплавы.

В качестве материалов, заменяющих алюминиевые сплавы и стали, все более широкое применение находят титан и его сплавы. Несмотря на то что титан в 1,5 раза тяжелее алюминия, он в 6 раз прочнее его, а поэтому удельная прочность конструк­ций из титановых сплавов гораздо больше. Кроме того, у титана значительно выше, чем у алюминиевых сплавов, температура плавления, поэтому его сплавы имеют широкое применение в сверхзвуковой авиации.

Перспективными для авиационных конструкций являются композиционные материалы, позволяющие существенно повы­сить массовую эффективность, надежность и ресурс авиацион­ной техники.

Композиционные материалы (КМ) состоят из наполнителя и матрицы. В качестве наполнителя обычно используют волокна, иногда жгуты, ткани, листы из высокопрочных органических материалов, углерода, бора, кремния (стекла), бериллия и др. Наполнители могут иметь прочность, во много раз превышаю­щую прочность металлов и сплавов, и служат силовой частью КМ. Матрица является связующей частью для волокон наполни­теля. В качестве матрицы используют полимеры (эпоксидные и другие синтетические смолы) и металлы (алюминий, магний, титан и их сплавы). Соотношение между объемами наполните­ля и матрицы и расположение волокон могут быть различными, что дает возможность получать КМ с различными свойствами, например с исключительно высокими показателями на растя­жение вдоль волокон, продольное и поперечное сжатие, скручи­вание, жаропрочность, коррозионную стойкость. По прочности и жесткости полимерные КМ в 2 - 3 раза превосходят алюминиевые и титановые сплавы. Использование КМ с металлической матрицей уменьшает массу детали на 30 - 80 %. Особенно высокую эффективность могут обеспечить гибридные КМ. Сочета­ние в них армирующих волокон разного типа с единым связую­щим или, наоборот, волокон одного типа с различными матрица­ми позволяет создать материалы с заданными свойствами.

Достоинство КМ заключается в том, что материал и изделие формируются одновременно и изделие сразу получает готовую форму. Формируют изделия из КМ в прессах, автоклавах, гидроклавах и других аппаратах. Для получения температуры, необходимой для размягчения и сварки металлических или отвердения полимерных связующих, кроме обычных методов нагрева, используются токи высокой частоты, инфракрасный нагрев, пропускание тока через металлические волокна наполнителя.

Композиционные материалы применяются как для несиловых, так и для некоторых силовых элементов конструкции крыла, фюзеляжа, оперения, несущих и рулевых винтов и дру­гих частей ВС. Широкое внедрение КМ в авиастроении сдерживается их высокой стоимостью, отсутствием опыта проектирования, ремонта и эксплуатации.